2. lecke. Kiegészítő tananyag: A számítógép és a külvilág kapcsolata, portok

iDevice ikon A lecke célja
Bevezetni a Hallgatót egy általános számítógépes folyamatirányításba. A Hallgatók rendszerben látva gondolkodjanak a későbbiekben a gépjárművek számítógépes irányításának elsajátításánál.

iDevice ikon Kulcsfogalmak
  • Üzenetforrás
  • A/D átalakítás
  • Számítógépes folyamatirányítás
  • Portok

iDevice ikon Időszükséglet
A tananyag elsajátításához körülbelül 40 percre lesz szüksége.

iDevice ikon 2.1 Üzenetforrások
Felmerül a kérdés, hogy milyen jellegű üzenetforrások lehetnek? Milyen jeleket illeszthetünk a számítógéphez?

Jellegüket tekintve: diszkrét vagy analóg.

Diszkrét üzenetforrás például egy szimbólumsorozat (A, B, M, X). Ebben az esetben az egyes szimbólumokhoz egy bináris adatfolyamot rendelünk, és ezt továbbítjuk a számítógéphez feldolgozás céljából.
A diszkrét üzenetforrást egy úgynevezett forráskódoló alakítja át a számítógép számára olvasható jellé. A folyamat megfordítottját forrásdekódoló végzi.
 
A forráskódolásra számos lehetőség kínálkozik. Lehet állandó szóhosszúságú kódolás, illetve változó szóhosszúságú kódolás.

Állandó szóhosszúságú kód például ASCII-kód, EBCDIC-kód.

Változó szóhosszúságú például a Huffman-kódolás, Shannon–Fano-kódolás. Azt a forráskódolást alkalmazzuk, amelyiknél nagyobb a kódolás hatásfoka.
Lényegük az, hogy alkalmazásukkor a gyakran előforduló szimbólumokhoz rövidebb, míg a ritkábban előfordulókhoz hosszabb bináris adatfolyamot rendelünk. Ezzel a megoldással az információ feldolgozását, valamint továbbítását gyorsíthatjuk.
Mindkét kódolásnál meghatározó adat az egyes szimbólumok előfordulási valószínűsége.
 
Analóg üzenetforrás például egy emberi hang vagy egy folyamatosan változó villamos feszültség az idő függvényében. A jeladók (mérőátalakítók) nem villamos mennyiségek mérési eredményét számos esetben analóg villamos jelekké alakítják. Ilyen átalakító lehet például hőmérséklet, nyomás, sebesség, fordulatszám jelátalakító. Blokkvázlata a 7.2.1 ábrán látható.

 

 

1. ábra. Mérőátalakító

Az analóg jelek számítógéphez történő illesztését A/D (analóg/digitális) átalakítók, míg a számítógép kimenetén megjelenő jeleket
D/A (digitális/analóg) konverterek végzik.
Ezek az átalakítások nélkülözhetetlenek például az ipari folyamatok vezérlési, illetve szabályozási folyamatainál.

 


iDevice ikon 2.2 A/D átalakítás
Az A/D átalakítás egy olyan eljárás, amely az analóg jelből előállítja annak digitális megfelelőjét. A folyamat elvégzéséhez először mintát kell venni az analóg jel valamely jellemzőjéből. Ezt a mért értéket nevezzük mintának, tehát egy folytonosan változó fizikai mennyiséget kell a mintavételi időpontokban megmérni, és ezekkel a mért értékekkel jellemezzük a számítógéppel feldolgozandó analóg jelet. Ezt a lépést úgy is fogalmazhatjuk, hogy mintavételezés. Tehát a mintavételezés időben történő diszkretizálás.
Viszont a feldolgozáshoz ez kevés, mert a mért értékeket hozzá kell rendelni digitális számokhoz. Ezt úgy is értelmezhetjük, hogy a változó értéktartományt véges sok intervallumra osztjuk, és az intervallumokat egy kijelölt elemével reprezentáljuk. Láthatjuk, hogy ez amplitúdóban történő diszkretizálást jelent, azaz a mért mintákhoz hozzárendelünk egy digitális számot, melyet fizikailag már tudunk illeszteni a számítógéphez. Ezt a folyamatot nevezzük kvantálásnak.
A kvantálás pontosságát az határozza meg, hogy hány biten kvantálunk. Ez azért fontos, mert kvantálás után a jelet már nem tudjuk eredeti állapotába visszaállítani (információvesztés történik), tehát a pontos feldolgozás nagyobb bitszámon történő kvantálási folyamatot igényel. Nézzünk erre egy példát grafikonos ábrázolással (7.2.2 ábra), majd az értékeket adjuk meg táblázatban (7.2.1 táblázat) is. A táblázatban az idő függvényében mért feszültségértékeket és az ezekhez rendelt digitális számokat láthatjuk. A 7.2.2 ábrán 32 mV feszültségsávot 24-en, azaz 16 részre bontottuk, és ezekhez a sávokhoz rendeltük a digitális számot. Az ábrán ennek csak egy részletét láthatjuk. Megfigyelhetjük, hogy így 20 mV nagyságra 10 sáv adódik.
 
A mért értékek mintavételezett adatok, melyekhez kvantálással bináris számokat rendeltünk. A mért értékeket az intervallum alsó határához igazítottuk. Ha ez megtörtént, akkor a jel már nem állítható vissza eredeti állapotába. 4 bites kvantálásnál 24-en, azaz 16 részre oszthatjuk fel a mért érték intervallumát. A kvantálást 16 biten végezve ugyanezt az intervallumot 216, azaz 65536 részre oszthatjuk és ezzel az analóg jel pontosabb ábrázolását tesszük lehetővé.

 

2. ábra. Mintavételezés és kvantálás

 

1. táblázat

A mintavételezés sebessége is mérvadó, mert nem midegy a mintavételezés gyakorisága. Nagyobb mintavételezési sebesség mellett adott idő alatt több mérési értéket gyűjthetünk össze, és így pontosabb ábrázolást valósíthatunk meg. Minden bemeneti jelből a lehető legnagyobb mintavételi sebességgel kell mintát vennünk, hogy a lehető legpontosabban jeleníthessük meg az analóg jelet a számítógépben.
 
Ezt matematikailag a Shannon-tétel fejezi ki, mely szerint, ha egy idővel változó jelből állandó frekvenciával mintát veszünk, és ha a mintavételezés frekvenciája legalább kétszerese a mintavételezett jel legnagyobb frekvenciájának, akkor az így kapott mintavételezett (diszkrét) jelből az eredeti jelalak visszaállítható.
A D/A átalakítás az A/D konvertálás fordított művelete. Olyan eljárás, amely a digitális jelből állítja elő az analóg jelet. Ezzel tudunk illeszteni például számítógépről vezérlő- vagy szabályozási jeleket ipari folyamatokhoz.
 
A gépjármű elektronikus irányításakor az első lépés a mérésadatgyűjtés, melyet a mért fizikai mennyiségek villamos jellé történő átalakítása követ. Ez a folyamatot egy érzékelő és egy mérőátalakító végzi. A mérőátalakító a nem villamos fizikai mennyiséget villamos jellé alakítja. A kimenőjel lehet áram vagy feszültség az idő függvényében. Ezt kell digitális információvá átalakítani a számítógépes feldolgozás számára. Ehhez szükséges az A/D átalakító. A mérőátalakító kimenete az A/D átalakító bemenetére kapcsolódik.
A mérőátalakító kimenetén egy minimális és maximális feszültségszint között lehet az a feszültség, amelyet digitalizálni kell. A mérőátalakítók maximális kimeneti feszültségszintjére vonatkozóan több tipikus érték használatos, de ezek értékei általában a –10 V-tól +10 V-ig terjedő intervallumba esnek.
 
Ezek után a kérdés már csak az, hogy hol csatlakoztassuk a mérési eredményeket reprezentáló digitális adatunkat a számítógéphez. A soros portot információ továbbítására gyakran alkalmazzuk a számítógép valamint a műszer között, és több változata létezik. Egy számítógépen több is található. A soros adatátvitel egy olyan egyvezetékes adatátviteli vonal, amely egyszerre 1 bit információt képes eljuttatni a fogadó állomáshoz. Ezt az adatátviteli módot akkor célszerű használni, ha az adatok átviteli sebességigénye relatívan kicsi, vagy nagy távolságra kell az adatokat eljuttatni.

 


iDevice ikon 2.3 Bevezetés a számítógépes folyamatirányításba
Számítógépes folyamatirányításkor (7.2.3, és 7.2.4 ábra) bizonyos folyamatok jellemzőit mérjük és ezek ismeretében a számítógép vezérlőjeleket, illetve szabályozójeleket ad vissza a folyamat számára. Természetesen a mért jellemzők analóg formában állnak rendelkezésre bármilyen fizikai jellemzőről is legyen szó. Digitális számítógépeink viszont számadatokon tudnak műveleteket végezni. A korábbiakban láthattuk, hogy az analóg mennyiségek értékeit előbb digitális adatokká alakítjuk, majd ezen adatokat visszük a számítógép memóriájába. Ezt úgynevezett interfész-áramkörök (illesztőáramkörök) segítségével tehetjük meg, melyek tartalmazzák a már megismert A/D átalakítót. Visszahatni a folyamatra szintén szükség van egy kimeneti interfész-áramkörre. A kimeneti interfész-áramkör D/A átalakítót tartalmaz. Egy illesztőkártyára egyre több funkciót integrálnak. Éles határt húzni a konkrét áramkörök közé nem érdemes. Tehát, egy analóg kimenőjelet szolgáltató D/A átalakító és perifériavezérlő egy egységet is alkothat. A következő ábra a számítógép és a folyamatperiféria kapcsolatát ábrázolja. A mérni kívánt fol yamatnál több bemeneti jelet kell feldolgozni, és a kimeneten több kimenőjelet kell a folyamat részére visszaadni.

 

3. ábra. A számítógépes folyamatirányítás blokkvázlata

A szabályozandó folyamatok jellemzőinél a mintavételi idő általában 0,1 s és 20 s tartományba esik (de természetesen ezen az intervallumon kívüli érték is lehet). Mivel az A/D átalakítás ideje ennél jóval kisebb, kb. 1-2 ms, ezért lehetőség kínálkozik arra, hogy több bemenőjel esetén is csak 1 db A/D átalakítót alkalmazzunk egy analóg multiplexer közbeiktatásával. A multiplexer egy olyan áramkör, amely több bemenőjel közül kiválasztja, hogy melyik bemenő adat kerüljön a kimenetére. Ez az érték kerül az A/D átalakító bemenetére. A multiplexert vezérelve folyamatosan változtatjuk az A/D átalakító bemenetére kerülő jelet a feldolgozás számára.

 

4. ábra. A számítógépes folyamatirányítás blokkvázlata

Az interfész szabványos kell, hogy legyen. Jellegét tekintve ez lehet soros vagy párhuzamos szervezésű. A soros alatt azt értjük, hogy a bitek időben egymás után érkeznek egyesével a számítógép bemenetére. A párhuzamos pedig azt jelenti, hogy több bitet egy időben juttatunk szintén a számítógép bemenetére.
Mind a két eljárásnak vannak előnyei és hátrányai. Gondoljunk a két alkalmazás alkatrész igényére, illetve gyorsaságára.

 


iDevice ikon 2.4 Kapcsolat a külvilággal: portok

a) Átvitel párhuzamos porton keresztül

Ez bájtsoros és egyúttal bitpárhuzamos adatátvitelt jelent

Az információt bitcsoportban továbbítják, így az információ átviteli sebessége nagyobb lesz. Ehhez azonban a csoporton belüli bitek mindegyikére adatutat kell kiépíteni, ami meggyorsítja az átvitelt, de meg is drágítja a kivitelezést. Természetesen külön vezetékek is szükségesek az adó-vevő szinkronizmus megvalósítására. Ezt az ún. párhuzamos átvitelt, csak kis távolságokra alkalmazzák. Számítógépen belül a részegységek összeköttetését ily módon oldják meg. Ezzel a megoldással működnek a számítógépek adat-, vezérlő- és címbuszai. A perifériák közül a szkenner és a nyomtató párhuzamos portra is kapcsolódhat, de manapság egyre inkább áttértek az USB-port alkalmazására.


b) Átvitel soros porton keresztül (RS 232 C interfész)

Manapság jelentősége csökken, de a meglévő műszerek csatlakoztatásához még egy ideig szükség lesz rá.
A port alkalmazásakor bájtsoros és a bájtokon belül bitsoros adatátvitel történik. Kevesebb darabszámú vezetékkel realizálható, mint a párhuzamos megoldás. Alkalmazásával az átviteli távolság legfeljebb 15 m lehet. Hátránya a lassabb adatátvitel, de ezt a korszerű hardverelemek kompenzálhatják. A soros adatforgalom egy vezetékpáron folyik. Az egyik vezetéken történik az adás, a másik vezetéken pedig a vétel. Így szimplex, illetve duplex (egyidejűleg van adás és vétel is) rendszer egyaránt kialakítható. Csatlakozója lehet 25 vagy 9 pólusú. A szabvány megalkotásánál úgy gondolták, hogy a 25 pólusú csatlakozó valamennyi vezetékére szükség lesz, de a technika fejlődésével a szükséges vezetékek száma csökkent, ezért használunk manapság 9 pólusú csatlakozót. Általában a leggyakrabban használt IBM PC gépek a COM1-gyel és a COM2- vel jelölt soros portja az RS 232 C szabvány szerinti.

 

Az adatátvitel során a bitfolyamot kis egységekre bontják. Általában a 7 és 8 bites átvitel terjedt el az ASCII-, illetve a bővített ASCII-karaktertáblának megfelelően. Az így adódó biteket kiegészítik még START és STOP bitekkel, valamint hibadetektálási lehetőséget nyújtó paritás bittel. A START és a STOP biteket keretező (framing) biteknek is nevezik, mert a tényleges információ elejét a START bit, míg a végét a STOP bit jelzi. Az adatok továbbítása mindig a legkisebb helyi értékű bittel kezdődik.

 

A 7.2.5 ábrán látható TTL jelszint 0 és 5 V. (A TTL tranzisztor – tranzisztor logikát jelent.) Az ábrán az RS 232 meghajtóval jelölt blokk elvégzi a beérkező párhuzamos bitcsoport sorossá alakítását, hozzáadja a szükséges kiegészítéseket, melyek a START, STOP, valamint a paritásbit. Ezen felül a TTL jelszinteket szabványos RS 232 jelszintekké alakítja. Ezek:

0 V+12 V,
5 V-12 V.

A vevő oldalon a fogadó berendezéssel jelölt blokk a soros adatokból képezi a bitcsoportot további felhasználás számára. A jelek mérése egy közös földvezetékhez viszonyítva történik, ezért a rendszer villamos zavarérzékenysége viszonylag nagy, ez indokolja a 15 m-es hossz korlátot. Ezért születtek később ipari körülményekhez igazodó más szabványok.
Ezek az új szabványok lehetővé tették a nagyobb távolságok áthidalását, több készülék összeköttetését a pont – pont összeköttetést megvalósító RS 232 C helyett, és növekedett az átviteli sebesség.

 

5. ábra. RS 232 kapcsolati rendszere

Érdemes megemlíteni, hogy két számítógépet hálózati kártya nélkül is összeköthetünk a soros kábel segítségével. A beállítást elvégezhetjük a Total Commander Hálózat menüjének Közvetlen kábelkapcsolat két PC között… elnevezésű almenüpontjában.

 

c) RS 449 interfész (ipari célú felhasználás esetén)

Bináris soros adatok átvitelére hozták létre. Alapja két villamos szabvány volt, ezek az RS 423 és RS 422, melyeket kiegészítettek mechanikai, funkcionális és eljárás interfésszel. Ezeknél a szabványoknál a jeleket vezetékpár közötti feszültségkülönbség hordozza. Mivel a külső villamos zavarójel mindkét vezetéken érezteti hatását, a különbségképzés miatt a villamos zajok kölcsönösen kioltják egymást, ezért zavarvédettebb. Ezért alkalmazhatók hosszabb távolságra.
Az RS 423-as összeköttetése koaxiális kábellel történik, míg az RS 422-es megvalósítása sodrott érpár. Mindkét esetben differenciálerősítő fogadja a jeleket.
 
Alkalmazásakor egy adó mellett több vevő is lehet a vonalon. Az összeköttetés jellege üzenetszórásos, melyet multidrop kialakításnak nevezünk. Az átvitel csak egyirányú. Amennyiben duplex megoldást akarunk megvalósítani, akkor négyvezetékes átvitelt kell alkalmazni ellentétes vevő-adó áramkörökkel. Az RS 422-es esetében az átviteli távolság 1200 m is lehet. 60 m-es távolságnál az adatátviteli sebesség 2 Mbit/s.

 

d) RS 485 interfész (ipari célú felhasználás esetén)

A folyamatirányítás alkalmazásakor természetes igény a kétirányú kommunikáció, valamint komplex rendszerek felügyelete. 1983-ban hozták létre az RS 485-ös szabványt. Az információáramlás szintén vezetékpáron történik, de a vonalpáron már több adó és több vevő is lehet. Egy vonalpáron a kommunikáció csak szimplex, de megoldható a négyvezetékes rendszerrel a teljes duplex összeköttetés is.
Az interfészkábel 2 erű csavart érpárárnyékolással van ellátva.
Félduplex üzemben 32 db adó/vevőt képes együttműködtetni multidrop hálózaton (sok üzenetszórásos hálózat).
 
Annak érdekében, hogy csak egy adó kezdjen adni a vonalon, az adási jogot irányítania kell egy kitüntetett eszköznek, melyet masternek nevezünk. Ez címzéssel ad engedélyt az egyes adóknak az adásra. Tehát ez a folyamat egy hozzáférési elvet valósít meg lekérdezés formájában, melyet pollingolásnak nevezünk.
Tehát, ez az interfész pollingolt, master/slave protokollal működik. Összefoglalva: az RS 485 interfészkábelen csak az az adó küldhet közleményt, amelyet a MASTER a Controll jelű ponton programmal megjelölt. Blokkvázlatát a 7.2.6 ábra mutatja.

 

6. ábra. Az RS 485 interfész kapcsolati rendszere

 

TXD-vezetékadóvezeték,
RXD-vezetékvételvezeték,
Controll vezetékkiválasztja, hogy melyik interfész szolgáltathat adást.

A 7.2.7 ábrán a folyamatirányító rendszer folyamatperifériáinak rendszerbe történő kapcsolását láthatjuk:

7. ábra. A folyamatirányító rendszer folyamatperifériáinak rendszere

Ha számítógépünk kiépítése csak RS 232 csatlakozási felületet biztosít, akkor egy RS 485/RS 232 C átalakító segítségével az RS 485-ös kábel jelét PC-gépünkhöz csatlakoztathatjuk.
 
Láthatjuk, hogy a mérés automatizálása során a mérés valamilyen meghatározott program szerint zajlik. Az adatok több forrásból származhatnak, különböző távolságokról érkezhetnek, de az adatok feldolgozása egy központi helyen történik. Az adatok továbbítása pedig egy megadott protokoll szerint kell, hogy történjen.
Az RS 485 esetén az adatsebesség elérheti a 10 Mbit/s-ot. Az áthidalható távolság 1200 m. A buszra köthető készülékek száma 32. Persze ezek az adatok csak akkor igazak, ha a vezeték megfelelő keresztmetszetű, az adott érpár csillapítása nem nagyobb egy határértéknél stb. Természetesen a rendszer működőképes kisebb keresztmetszetű érpárnál is, csak kisebb lesz az áthidalható távolság, vagy az összeköthető készülékek száma lesz kisebb.

 

e) PS/2

A számítógép egér vagy billentyűzet használata nélkül elképzelhetetlen. Jelenleg, egy mai egér átlagosan 3 gombbal rendelkezik. A PS/2 interfészt az IBM személyi számítógépeihez dolgozták ki.


f) USB (Universal Serial Bus)

Az USB, az Universal Serial Bus – univerzális soros busz – kezdetben a közepes sebességű perifériák csatlakoztatására szolgált, 12 Mbit/s adatátviteli sebességre volt képes. A legújabb szabvány szerint, melyet a Compaq, a HP, az Intel, a Microsoft, a Lucent, az NEC és a Philips Semiconductors fejlesztett ki, már 480 Mbit/s-os adatátviteli sebességre is képes. Alkalmazásával a számítógéphez egyszerre és legfeljebb 127 különböző eszköz csatlakoztatható. Mivel az USB-kábel az adatokon kívül áramot is szállít a készülékhez, így sok esetben fölöslegessé válik a tápkábel. Az USB 1 bites bitsoros átvitelt tesz lehetővé multiplexereken keresztül. Korábban létezett az 1.1-es szabvány, jelenleg a 2.0-ás szabványra készített USB-portokat és csatlakozókat lehet kapni.
 
Amennyiben minden eszköz USB-csatlakozóval rendelkezik, akkor a PC-ből csak egy kábel indul ki, mivel az USB-eszközök láncba fűzhetők. A szabvány létrehozásának célja az volt, hogy csökkentsék mind a hardvergyártók, mind a felhasználók költségeit. Meg kell jegyezni, hogy a biztonságos működés érdekében 5 m-nél hosszabb USB-kábeleket nem érdemes használni. A korszerűbb számítógépekben négy darab USB-port is lehet. Amennyiben több készüléket szándékozunk gépünkhöz csatolni, akkor az úgynevezett USB-hubok segítségével több eszközt is ráfűzhetünk.
 
Az USB-hubok két fajtája létezik, az egyikhez tápegység szükséges, a másikhoz nem. A tápegység nélkülinél kevesebb készüléket fűzhetünk fel, mivel csak 0,5 A-es árammal működik. Csillag topológiájú hálózatokban a hubok végzik a jelek regenerálását, tehát újra erősítik a jeleket. Segítségükkel maximum 127 darab USB-eszköz csatlakoztatható. Gyakorlatilag azt mondhatjuk, hogy a jelenleg gyártott felhasználói eszközök USB-csatlakozóval készülnek, például kamerák, digitális fényképezőgépek stb.
 
A tendencia azt mutatja, hogy a soros, illetve a párhuzamos port kezd háttérbe szorulni, hiszen a szkennerek és nyomtatók többségét a gyorsabb elérhetőség miatt USB-porttal látják el.
 
Jelenleg még szükséges a portok közötti átalakítást biztosító konverterek használata, mivel a villamos mérőműszerek RS 232 porttal rendelkeznek, de az új számítógépeket általában csak USB-porttal látják el.

 


iDevice ikon Ellenőrző kérdések
  • Milyen üzenetforrásokat ismer?
  • Mi a mérőátalakító (jeladó)?
  • Ismertesse az A/D átalakítás folyamatát!
  • Rajzolja fel a számítógépes folyamatirányítás blokkvázlatát!
  • Milyen portokat ismer?